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银河系概述

在没有光污染的晚上的天空中，我们可以看到一条横跨夜空的微弱的白色光带。古希腊人把它比作一束洒出的牛奶；某个东非部落的人认为这条朦胧的光带是古代的篝火产生的烟雾；而在中国，千百年来就流传着牛郎织女的神话，管这条光带叫银河，它是王母娘娘用来阻隔牛郎和织女大河。

然而，银河其实是我们所在的星系。借助现代仪器，我们可以得到从正面和侧面观察银河系的样子。银河系最亮的部分由一个薄的、圆形的、旋转的恒星盘组成，恒星盘分布在一个直径约10万光年，厚度约光年的区域。我们发现：最年轻的恒星，以及形成恒星的尘埃和气体，通常在距离银河系平面光年的范围内，尘埃和气体的质量大约是这个圆盘中恒星总质量的15%。

如图1所示，恒星、气体和尘埃并不是均匀地分布在整个圆盘上，而是集中在一个中央棒状凸起和一系列螺旋臂中。最新的红外观测已经证实，中央的星云主要由年老的黄红色恒星组成，两个主要的螺旋臂似乎与棒状凸起的两端相连，它们被年轻的热恒星发出的蓝光点亮。我们太阳系位于银河系中心和圆盘边缘的中间位置，距离中心平面（银道平面）仅70光年。

恒星群随着离银河系中心（银心）的距离变大而变薄，圆盘中大约2/3的恒星都在距离银道平面0光年的范围内。在靠近银心(大约00光年之内)的地方，恒星不再是平铺状的，而是形成一个中央凸起(或核凸起)。当我们用可见光观察时，只能在那些碰巧有相对较少星际尘埃的方向上瞥见凸起中的恒星。凸起的大部分被尘埃遮蔽，使得它的形状难以确定，很长一段时间以来，天文学家都认为它是球形的。然而，红外图像及其他数据表明——这个棒状凸起的长度大约是它宽度的两倍，形状很像花生。

此外发现，银河系嵌入在一个由非常古老、暗淡的恒星组成的球形晕中，这个晕从银心向四面八方延伸至少15万光年的距离。银河系的质量空间延伸得更远，远远超出了明亮恒星的边界，距离银心至少有20万光年。超出范围的、看不见的物质被命名为暗物质，因为它不发光，用任何望远镜都无法看见，只不过由于它对我们能看到的发光物质有引力作用，于是我们知道这个广泛的暗物质晕的存在。

对圆盘气体成分的射电观测表明，银河系有两条主要的旋臂，从棒状凸起中开始，还有几条较暗的旋臂和较短的马刺。

见图4，在这里，我们看到了俯视的银河系。这张图片显示银河系在其中心区域有一个明亮的棒，两个主要螺旋臂是半人马座（上面部分）和英仙座（下面部分），从棒的两端开始，环绕凸起。太阳位于一个叫做猎户座的短臂的内缘附近，这条短臂大约有1万光年长，包含了天鹅座裂谷(夏季银河系中巨大的黑暗星云)、明亮的猎户座星云等明显的特征。

银河系不像一个实心的轮子或CD那样旋转，相反，单个天体绕银河系中心旋转的方式更像太阳系。恒星、气体云和尘埃云，都遵循开普勒第三定律，离中心较远的天体比离中心较近的天体绕银河系运行一周所需的时间更长。换句话说，银河系中较大轨道上的恒星(和星际物质)落后于较小轨道上的恒星。这种效应被称为星系微分旋转，微分旋转似乎可以解释为什么银河系盘面上如此多的物质集中在类似旋臂的细长特征上。无论物质的原始分布如何，星系的微分旋转都可以将其拉伸成螺旋状。

图5显示了两个不规则星际物质团块形成的旋臂。请注意，离银河系中心最近的部分移动得更快时，离星系中心更远的部分就会落在后面。

图5的示意图显示了螺旋臂是如何从不规则的星际物质云中形成的，这些物质是由银河系中不同的旋转速率拉伸出来的。离银河系中心最远的区域，需要更长的时间来完成它们的轨道行进，因此落后于内部区域。如果这是创造螺旋臂的唯一机制，那么随着时间的推移，螺旋臂将完全卷曲并消失。由于许多星系都有旋臂，所以它们的寿命一定很长，而且一定还有其他的过程在起作用来维持它们。

随着哈勃太空望远镜的出现，人们已经能观察到非常遥远的星系的结构，并看到它们在多亿年前（开始形成后不久）的样子。观测结果显示，星系在婴儿期有明亮的、块状的恒星形成区域，但没有规则的螺旋结构。随后的几十亿年里，星系开始“安定下来”，要变成螺旋结构的星系失去了它们原本的巨大团块，形成了一个中央凸起。星系中的湍流减少了，旋转开始主导恒星和气体的运动，恒星开始在一个安静得多的圆盘上形成。较小的恒星聚集成的团块开始形成模糊的、不太明显的旋臂，而明亮、清晰的旋臂在大约36亿年前才开始出现。也就是说，我们在银河系中看到的多臂结构在宇宙大约80亿年的时候才出现。

太阳和银河系中的其他恒星一样，绕着银河系中心运行。我们的恒星的轨道接近圆形，运行速度约为每秒公里，这意味着我们大约需要2.25亿年才能绕银河系中心转一圈。我们把太阳公转的周期称为银河年，与人类的时间尺度相比，这是一段很长的时间。在地球的整个生命周期中，只过去了大约20个银河年。地球人类凝视天空的所有时间里，我们只绕着银河系走了一小部分。

在距离银河系中心超过3万光年的地方，明亮恒星的数量和发光物质(即我们可以探测到的有电磁辐射的任何物质)的数量都急剧下降。我们现在知道，在距离银河系中心很远的地方存在着许多看不见的物质。天文学家是如何探测到这种看不见的物质的呢？

记住，根据开普勒第三定律，离大质量物体较远的物体比离它较近的物体运动得慢。以太阳系为例，外层行星在轨道上的运行速度比靠近太阳的行星要慢。有一些天体，包括小的球状星团和附近的一些小型卫星星系，位于银河系的发光边界之外。如果银河系的大部分质量都集中在发光区域内，那么这些遥远的物体围绕银河系轨道运行的速度应该比太阳慢。然而，事实证明在距离银河系发光边界很远的地方看到的少数物体运动的速度并不比太阳慢。

例如，在距离银河系中心3万到15万光年之间的天琴座RR星和球状星团，它们的轨道速度甚至大于太阳的轨道速度。

如果银河系只有根据开普勒定律计算出的质量，那么高速运行的外部物体应该早就摆脱了银河系的控制，飞出了银河系。事实上它们并没有，这意味着我们银河系的引力一定比发光物质所能提供的要大得多。如果这些引力是由恒星或其他放射物提供的，我们应该很久以前就发现了这些额外的外部物质。因此，我们不得不勉强地得出这样的结论:这种物质是看不见的，除了它的引力，它完全没有被发现。

对最遥远的球状星团和环绕银河系的小星系的运动的研究表明，银河系的总质量至少是太阳质量的2×10^12倍，大约是系内发光物质总量的20倍。此外，暗物质(天文学家对不可见的物质的称呼)距离银河系中心至少有20万光年。观测表明，这个暗物质晕大致是球形的，但不完全呈球形。

补充一下，暗物质的问题绝不局限于银河系。观测表明，暗物质也一定存在于其他星系(它们的外围区域运行速度也太快，它们也有平坦的旋转曲线)。正如我们将在文章看到的——暗物质甚至存在于巨大的星系团中，这些星系团的成员在引力的影响下四处移动，这远远超过了发光物质本身的影响。

我们得出的结论是多么令人震惊，我们银河系(以及许多其他星系)95%的质量不仅是看不见的，我们甚至不知道它是由什么组成的。我们所能观测到的恒星、星际气体和尘埃可能只是宇宙的冰山一角，隐藏在这一切背后的，可能是另一类物体，也许是熟悉的，也许是全新的。

了解暗物质的本质是当今天文学面临的巨大挑战之一，我们将在后续的文章中专门讨论暗物质和暗能量。

银河系中心，在小于水星轨道半径的球体内塞入了万个太阳，这种巨型黑洞被天文学家称为超大质量黑洞，它所包含的质量远远大于单个恒星死亡所产生的典型黑洞，我们有非常令人信服的证据表明这个黑洞确实存在。虽然，我们无法直接看到黑洞，因为根据定义它不辐射能量。另外，由于太阳系和银河系中心之间的星际尘埃的吸收，我们甚至无法在可见光下看到银河系中心，来自银河系中心区域的光被这些尘埃冲淡了万亿倍。

幸好，我们不仅仅只有可见光的技术手段，同星际尘埃颗粒的大小相比，红外线和无线电辐射的波长更长，它们可以畅通无阻地流过尘埃颗粒，几乎不需要任何调光就能到达我们的望远镜。事实上，银河系中心有非常明亮的射电源，现在被称为人马座A*(英文为“SagittariusA-star”，缩写为SgrA*)，是天文学家发现的第一个宇宙射电源。

我们用一种更有能量的电磁辐射来